17 feb. 1999
3 minuten
Veel organische verbindingen vormen spontaan een enkele laag op een oppervlak. Dit zijn zogeheten zelf-assemblerende monolagen (self-assembling monolayers, Sams). De meeste Sams bestaan uit moleculen die via een zwavelhoudend deel binden aan het oppervlak, maar de laagjes die zo ontstaan zijn niet bestand tegen de zuurstof in gewone lucht. Organisch chemici van de RUG hebben nu Sams gemaakt van buckyballen, voetbalvormige moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen. De laagjes die deze ballen vormen hebben alle eigenschappen van de zwavelhoudende Sams, maar blijven enkele weken stabiel als ze zijn blootgesteld aan lucht. Dit maakt hen bruikbaar voor toepassingen als moleculaire elektronica.
Een artikel over de nieuwe SAMs wordt gepubliceerd in Nature Materials.
Hoogleraar Ryan Chiechi: "Zelf-assemblerende monolagen zijn dynamische structuren. Ze kunnen zichzelf repareren en de moleculen zoeken voortdurend de meest efficiënte pakking. Daarnaast zijn alle processen omkeerbaar en is het mogelijk de samenstelling van de lagen te veranderen." Dit onderscheidt Sams van andere monolagen die in gebruik zijn in functionele materialen. "Die zijn vaak heel stabiel, maar ze vertonen geen zelf-assemblage en missen daardoor de dynamiek van een echte Sam."
Tunneling
Sams gebaseerd op de binding van de zwavelhoudende thiol-groepen aan metaal worden veel gebruikt in onderzoek. Toepassingen zijn er ook, bijvoorbeeld voor het bevochtigen van oppervlakken, chemische lithografie, de productie van sensoren of in nano-fabricage. Met de monolagen is ook moleculaire elektronica te bouwen. Chiechi: "Een elektrische stroom gaat door zo’n monolaag via een proces dat kwantumtunneling heet. Door kleine veranderingen in de moleculaire laag is het mogelijk die geleiding te veranderen. Met behulp van chemische aanpassingen is het mogelijk nieuwe soorten elektronica te maken."
Maar de veelgebruikte thiol-Sams zijn erg gevoelig voor oxidatie, die ontstaat wanneer ze aan de lucht worden blootgesteld. Zonder bescherming gaan ze nog geen dag mee.
Buckyballen
Nu hebben onderzoekers echter de eigenschappen ontdekt en geanalyseerd van buckyballen die zijn voorzien van een functionele glycol-etherverbinding. De buckyballen binden zich sterker aan metalen dan thiol-groepen en de glycol-ether staarten zorgen ervoor dat de moleculen in een organisch oplosmiddel spontaan een dubbellaag vormt. "Je stopt het metaal gewoon in een oplossing van deze moleculen, en de dubbellaag vormt zich via zelf-assemblage", zegt Chiechi. Een Sam die op deze manier ontstaat is niet gevoelig voor oxidatie. Zonder enige bescherming blijven ze minstens 30 dagen intact.
"Het lijkt er sterk op dat de staarten van de moleculen met elkaar verstrengeld zijn. Dit zorgt voor een structuur die zowel stabiel als zeer dynamisch is, de moleculen kunnen vrij bewegen. Dat is een kenmerk van een Sam." De buitenste laag is simpel te vervangen door andere functionele groepen toe te voegen. Chiechi en zijn collega’s hebben spiropyran gekoppeld aan de glycol-ether staart, een type molecuul dat van vorm verandert onder invloed van UV-licht. Vervolgens zetten zij een elektrode op de buitenste laag om tunneling door de Sam te meten. Hierdoor konden ze zien dat het beschijnen van de dubbellaag met licht de geleiding ervan met enkele ordes van grootte kon veranderen.
Zenuwcellen
Er zijn ook andere alternatieven voor thiol-Sams, maar die hebben allemaal hun beperkingen. "We geloven dat onze Sams dezelfde goede eigenschappen hebben als thiol-Sams, met als grote bonus dat ze goed tegen zuurstof kunnen", concludeert Chiechi. "Bovendien hebben we laten zien dat ons systeem te gebruiken is voor het bouwen van moleculaire elektronica." Ook lijkt het systeem geschikt om het gedrag van Sams te bestuderen en denkt Chiechi dat zijn systeem geschikt is voor onderzoek naar dubbellagen, zoals de lipide dubbellaag waaruit celmembranen bestaan.
De mogelijkheid om de samenstelling van deze Sams te wijzingen kan interessante toepassingen in moleculaire elektronica opleveren. Chiechi: "Je zou hiermee een topologische computerarchitectuur kunnen maken, die werkt zoals zenuwcellen dat doen." Veranderingen in de samenstelling van de Sam kunnen memristors opleveren en wellicht ook stochastische computers, die rekenen met de kans op een 0 of een 1 in een stroom bits. "Daarvoor kun je het aandeel van één type molecuul in de Sam gebruiken."
Anderen lazen ook
